1、电子收费系统ETCOBU的硬件实现1、ETC系统的研究目的及意义l电子收费是通过设置在收费站的天线与通行车辆的车载装置之间实现通信与数据交换，自动接收发送有关支付通行费信息的系统。采用该系统，通行车辆不必在收费站停车缴费即可通过，从而增大了收费站的处理能力。电子收费优势明显，它将彻底改变目前半自动收费的窘迫现状。1、ETC系统的研究目的及意义lETC的优点是：l（1）方便客户长途旅行l（2）提高收费车道通过率l（3）提高管理效率l（4）费额流失减少l（5）节约能源l（6）改善收费站环境2、OBU的国内外研究现状l ETC目前在世界主流的工作频段都是5.8GHz，从通行速率来说日本最高，中国其次
2、，欧洲稍微差一些。美国使用“915”MHz频率通行速率就非常低。l 1988年美国Lincon隧道首开不停车收费系统，截至2004年,美国已有11个州的21条高速公路收费机构联合成立了IAG组织,并已安装了3211条ETC车道,日交易量已超过了300万笔。l 在日本从2003年开始，大约有40万辆汽车配备了ETC终端。仅用半年时间就超过了投入使用后前17个月的总销量，累计达到100万台。“日本道路公团”在内的三家道路公团，在2001年12月的使用率还不足1%，而2003.7.4已达到6.8%，即每15辆汽车中就有一辆使用ETC终端。到 2007年ETC的利用率达到70%。l 国际上，欧洲ETC
3、市场总计900万用户，1万条ETC车道；日本有2000万用户。2、OBU的国内外研究现状l 我国从1998年6月开始交通部组织开展了“网络环境下ETC系统研究与应用推广”行业联合攻关项目研究。到2003年底，我国ETC系统的实施取得了一定进展，有多个示范点的工程己经开始了试运行。目前全国已有15个省市开通ETC系统，不停车收费车道达到1300多条。除京津冀地区外，不停车联网收费的另一大试点区域是长三角地区。目前，上海、江苏、江西、安徽四省市已实现电子标签一卡通，2010年年底浙江也将加入这一联网系统。3、ETC系统的总体设计lETC系统是利用微波技术、电子技术、计算机技术、通信和网络技术、信息
4、技术、传感技术、图象识别技术等高新技术的设备和软件(包括管理)所组成的先进系统，以实现车辆无需停车即可自动收取道路通行费用。3、ETC系统的总体设计图1 ETC系统组成图4、ETC系统所用的技术l 在ETC系统中涉及到的主要技术是射频识别技术(Radio Frequency Identification。简称RFID) ，由于微波透入性强，可以穿透浓雾，雨滴，风沙等，安全可靠性高、高速、寿命长、工作距离远，适合于车辆全天候，恶劣环境条件下工作，因此自从微波/射频识别技术出现后，采用该技术的车辆自动识别技术已成为ETC系统的研究热点和主流。除了用于收费以外，射频OBU的一些型号也可以用于路车通讯
5、 (VRC)。这一技术允许装备读出器/显示器的OBU向驾驶者通告有关交通信息。RFID应用于ETC系统中有以下主要特点：4.1、RFID应用于ETC系统中的主要特点l 1、不接触操作，允许汽车不用停车以正常速度(120160Km/h)行驶通过收费站，加快了收费速度，避免了车辆堵塞。l 2、无磨损、防水、防潮、防尘、防污等的能力强，延长了系统使用寿命，降低了系统维护费用。l 3、能防伪、防毁，并通过对数据编码、加密进一步提高了系统的安全性和可靠性。l 4、无纸交易，统一收费，避免了乱收费和其它舞弊现象，为今后智能公路车辆管理系统打下了良好的基础。l 5、微波透入性强，适合全天候工作。5、OBU的
6、硬件系统设计lOBU是一种具有微波通信功能和信息存储功能的移动识别设备。研发OBU最主要的难点就是高性价比硬件系统的设计与实现。5.1、OBU总体架构的设计图2 OBU系统构架图5.1、OBU总体架构的设计l在OBU中，射频系统(RFS)主要利用DSRC，实现与路侧设备(RSU)之间的信息交互;基带系统(BDS)首先实现对电源系统的控制，并完成对高频卡或IC卡的读写功能，以及实现DSRC的协议层，并作为前、反向射频链路的输入和输出，最后实现对ETC交易的显示与指示;电源系统实现OBU的超低功耗休眠，并能响应其电源控制模块的触发，接受基带系统的基本控制，并进行相应操作，实现对整个OBU的供电。5
7、.2、电源系统的设计l在OBU的设计中，由于电源系统的架构和实现很大程度上影响与决定了OBU关键器件的选型以及功能电路的架构、实现，从而决定了OBU的成本和市场特性，因此高性价比的电源系统便是OBU设计的最主要难点之一。5.2、电源系统的设计l 现有的OBU供电方式一般有两种，一是使用汽车的DC电源接口供电，另一种是利用不可重复充电的锂电一亚硫酸氯电池供电。前一种方法能够提供很充足的电能，但不同汽车的DC电源接口并没有统一的标准，这给消费者带来很大的不便。第二种供电方法使OBU完全脱离对汽车电源的依赖性，但也存在众多问题： 1、电池利用率不高 2、带负载能力差 3、静态电流过大5.2、电源系统
8、的设计l 汽车在公路上行驶的整个过程中，经过收费站的时间非常短，只需要OBU在汽车经过收费站时工作，而且工作时间仅几秒钟，其他绝大部分时间都不需要工作，因此智能电源管理模块将控制OBU工作在两种模式，睡眠模式(真正意义上的低功耗)和激活模式，即收费时唤醒，交易完成后马上进入睡眠状态。图3 电源管理模块框图5.3、基带系统的与设计l 基带系统由MCU最小系统、监测触发和电源控制电路模块和对外接口模块三部分组成，其具体架构框图如图4所示图4基带系统的具体架构5.3.1、MCU最小系统完成如下功能l 1)通过IO口与外部触发电路相连，利用外部中断来响应和处理外部事件。l 2)通过IO口与电源控制模块
9、相连，来控制电池供电的通与断，达到工作状态与“省电休眠”状态之间的切换。l 3)通过 IO口连接蜂鸣器和发光二极管完成对交易结果进行指示。l 4)通过内部FLASH分区来存储车辆基本信息。l 5)通过SPI接口与字符LCD显示器相连，完成交易信息的显示。l 6)通过其UART模块，直接采用一个MiniUSB连接器外引，实现与外部设备的连接和通信。l 7)通过IO口模拟相应接口实现对智能卡的读写功能，完成对接触式智能IC卡的读写。l 8)通过IO口模拟相应接口实现对高频卡的读写功能，完成对非接触式智能IC卡的读写。l 9)通过IO口模拟相应接口实现对ESAM的读功能，完成对ESAM信息的读取。l
10、 10)DSRC协议的MAC层以及部分物理层功能由MCU实现。l 11)MCU与射频功能电路之间通过FO和比较/计数器或ADC进行接口，作为前、反向射频链路的输入和输出l根据上述对电源系统的详细研究和具体实现，则MCU最小系统必须满足小体积、超低静态功耗、低成本等市场和技术需求，且根据MCU最小系统的功能实现，则选取TI的超低功耗的MSP430单片机作为该MCU最小系统的核心处理器，且该MCU价格还较便宜5.3.2、监测触发和电源控制电路的设计l 监测触发和电源控制电路模块包括防拆卸检测、插卡检测、射频唤醒等触发电路以及电源控制电路，实现把外部触发事件实时反馈给MCU和接受MCU对系统各功能模
11、块的电源控制。l 智能卡插卡触发电路及防拆卸触发电路实现把感应的外部信号经过调理电路，然后通过MCU的IO产生外部中断，进行相应处理，并控制电源电路，给相应模块供电，让其工作。而射频唤醒监测触发电路实现把射频唤醒接收电路的输入信号进行放大调理，然后通过MCU。l 电源控制电路实现射频唤醒等监测触发电路的实时响应，接受并执行MCU的控制命令，对相应模块的供电进行操作，与MCU共同实现OBU工作状态与休眠状态的切换。5.3.3、对外接口模块的设计l 在OBU系统中存在多种对外接口模块，其中包括：UART接口、lC读写接口以及指示灯接口，还有防拆卸接口和LCD显示屏以及声光指示接口。l UART接口
12、由MCU的UART实现，物理形式上使用一个MiniUSB的对外接口。l 智能卡读写接口模块包括IC卡匹配电路和IC卡插座，其实现智能IC卡与OBU之间高速、可靠的信息交互。另外智能IC卡的时钟采用MCU的时钟电路分频得到。lC卡插座是双界面智能卡的接触式安装座，其实现双界面智能卡与智能卡匹配电路的物理的电气接触，并且具备插卡触发开关；从而对智能卡的插入和拔出，给出外部触发信号，实现控制相关电路的动作。5.3.3、对外接口模块的设计l 防拆卸接口采用微动开关结合MCU，实现OBU的防拆卸功能，以微动开关对外接口。l LCD显示屏实现显示交易信息和其它信息，以图形LCD对外接口。l 为简化结构，降
13、低成本，降低功耗，OBU的指示灯不再采用独立指示灯子卡的形式，可采用长脚直插LED直接引出，或主板PCB上采用贴片LED，然后通过导光柱引出壳体的方式。6、射频系统的设计l在超低功耗的静态模式下，必须确保OBU能够被RSU唤醒，即应该保证在OBU静态模式下，其能够接受RSU的5.8GHz的射频信号。则OBU必须存在低功耗模式下的射频唤醒信号的接收链路。故OBU的射频系统存在以下3条链路6、射频系统的设计图5 射频唤醒信号接收链路图6 射频反向接收链路图7 射频前向发射链路6.1、射频唤醒信号接收链路的设计l 唤醒信号接收链路主要用于接收来自RSU的唤醒信号以触发OBU进入工作模式。l OBU在
14、省电模式时，只有唤醒电路处于正常工作状态，MCU处于睡眠状态，其它部分的电路均处于掉电状态，以此来达到省电的效果。当OBU接收到RSU发出的唤醒信号后，唤醒电路能够正常接收此信号并进行放大，该信号用来唤醒MCU，随后由MCU来控制OBU各部分电路的电源，进入正常的工作状态。6.2、射频反向接收链路的设计l 数据信号的射频接收链路与唤醒信号链路共用一个检波二极管，不同之处在于，当MCU唤醒后会打开控制检波二极管偏置电流的开关，此时偏置电流增加到5 左右，可以提高二极管的检波灵敏度。l 由于唤醒信号的频率为14KHz，数据信号的频率为500KHz，并且由于三极管的特征频率在静态电流比较小的情况下下
15、降很大，因此不能够用唤醒信号的放大电路对数据信号进行放大，需要单独采用一条放大链路，而该放大链路只有在MCU被唤醒后才会处于工作状态A6.2、射频反向接收链路的设计l 数据信号放大电路采用(两级)三极管差分放大电路加比较器的结构，因此能够有效的抑制温度漂移，该电路的比较器速度比唤醒电路比较器快，以满足信号速率的要求，但是功耗也相对较大。数据接收链路的结构如图8所示。图8 数据信号放大链路框图6.3、射频前向发射链路的设计l 前向发射链路由射频开关，PLL和与非门构成。如图9所示。l 由于RSU的接收灵敏度较高，并考虑到OBU的功耗问题，因此OBU的发射功率可以较低，且协议有10dBm的EIRP（有效全向辐射功率）要求，因此没有使用功率放大器。前向发射链路采用OOK的调制方式，由MCU的基带信号对射频开关直接进行OOK调制。由于射频开关需要2个控制信号，设计中利用与非门对基带信号进行反向。图9 前向发射链路框图
